李鴻章故居虛擬現實系統的設計與開發

張翔

關鍵詞：李鴻章故居；虛擬現實技術；Unity 3D

0 引言

李鴻章故居，又名李府，是晚清名臣李鴻章的家宅，位于安徽省合肥市廬陽區淮河路步行街中段208 號，現已列為全國重點文物保護單位、國家AAAA級旅游景區[1]。李鴻章是晚清時期極具重要的人物，其家宅的建筑風格具有明顯的徽派建筑特色，布局整齊，結構嚴謹，是典型的晚清江淮地區民居建筑。作為珍貴的建筑文化遺產，李府歷經百年風雨，仍保有獨特的風貌。然而，由于戰爭和年久失修，再加上位于市區中心，李府已日漸荒廢。近年來，合肥市政府對李鴻章故居采取了多項保護措施，在原址進行了修繕。雖然基本保留其原貌，但現存規模已不到原來的十二分之一。由于其地理位置特殊，李府作為景區的拓展性受到了很大制約。目前，李鴻章故居每日接待游客數維持在500人左右，這對游客體驗及景區收入產生了不良影響[1]。那么，這樣一座歷史悠久底蘊豐富的古代文化遺產建筑，應當如何保護，值得我們深入探索與研究。

1 李鴻章故居系統的總體設計

本文基于虛擬現實技術和旅游體驗的有機結合，力求將單調、枯燥的文字和局限于平面的圖片立體化，將原本很難呈現的建筑細節之美展現在游客面前。我們利用物聯網及各種智能云技術，讓游客足不出戶，就可以隨時獲得最新的旅游動態和相關訊息，同時也可以輕而易舉調整、安排時間，隨意更改旅游行程。

近年來，因經年累月游客絡繹不絕，我國有許多對外開放的古代建筑損毀嚴重，如何保護這些文物是一個亟待解決的問題。隨著計算機科學家和考古學家的共同努力，虛擬現實漫游系統應運而生。我國歷史上無與倫比的輝煌建筑杰作——故宮，就得到了這樣的保護[2]。鑒于此，本文研究運用三維技術和Unity3D實現對李鴻章故居中重要的幾處景點，使用手動或自動方式，對入口、前廳、福壽堂、走馬樓、淮軍展廳、游客服務中心等實現漫游。李鴻章故居的虛擬現實系統主要采用第一人稱視覺的漫游效果來展現，這樣能夠更好地模擬景區真實存在的效果。同時在很大程度上，能夠給游客帶來耳目一新的觀賞體驗。值得注意的是第一人稱漫游是漫游系統中最重要的功能，也是實現系統交互必需的功能[3]。李鴻章故居系統把虛擬現實技術與景區的全景規劃緊密結合起來，無論是對古代建筑文化遺產的傳承和保護，還是營銷模式都是切實可行的。

2 需求分析

李鴻章故居系統作為虛擬現實技術在旅游景區上的應用，區別于其他項目在硬件上的應用與研究，主要側重向用戶展示功能。讓游客足不出戶，便可對整個項目進行深度體驗；此外，還可以深入開發交互系統，讓用戶自己“動手”了解系統的房屋建筑模型，并從另一個角度體會我國古代建筑文化遺產的獨特魅力。

2.1 用戶需求

如今，隨著旅游經濟的快速增長，我國已穩居世界旅游經濟前列。2023年五一小長假期間，全國各景區共接待游客2.74億人次，同比增長70.83%，這對景區的最大接待負荷產生了較大壓力。游客在景區觀賞時，由于人流量過大，可能無法全身心投入，導致很難深入了解文化建筑背后悠久的歷史文化。因此，用戶對游覽的文化體驗需求越來越強烈，本文也正是立足于提升用戶體驗進行的以下方面設計[4]：

1） 通過三維建筑可視化完美還原建筑特色，讓用戶充分了解到李鴻章故居的整體建筑風格和內部展廳的陳設、空間布局。

2） 針對性還原景區原貌，對李鴻章故居的建筑面積、表面材質、燈光效果、植物配置等力求復原，進而達到完美的模擬效果。

3） 通過深度開發的交互技術，用戶可以根據自身需求和習慣，自主選擇游覽路線，任意角度觀察景點。且在游覽過程中，游客能夠通過實時語音或文字了解景區信息。

4） 設置碰撞效果，用戶游覽時不會穿過物體或墻面，并且可以真實地走樓梯、跨門檻，獲得與真實世界一樣的游覽體驗。

5） 多平臺應用。基于PC、手機、VR眼鏡等多種設備，讓用戶的選擇性更廣。

2.2 功能需求

本文主要通過對虛擬現實技術的反復研究、觀察、修改得到完整的系統，向用戶進行完善的數字化建筑交互展示，主要體現在以下兩個方面：

1） 展示。用戶通過第一人稱視角，觀察出動態的畫面效果，包含游覽路線、物體碰撞、景點陳設等。用戶亦可通過系統默認的游覽路線，不進行自主控制，依照既定路線進行自動游覽。

2） 交互。交互技術的編程主要依托于引擎平臺開發技術，通過對景區內相應的模型進行編程，從而達到界面操作、實時查看與行走、路線選擇、碰撞檢測等交互技術。這種交互設計，更通俗易懂，更模塊化，也更方便用戶操作。各種年齡段的用戶基本都能很快熟悉交互系統的架構和使用方法，從而達到快速熟練操作。

3 李鴻章故居三維構建

3.1 三維構建的前期準備

李鴻章故居三維模型構建的首要前提是了解故居的整體結構和內部建筑區域的劃分，這就需要對故居的建筑信息進行收集、測量與整理。筆者基于實地考察和拍攝，再結合景區內的導游圖等信息，繪制出平面結構圖，如圖1所示。

3.2 李鴻章故居三維建模

根據測量與收集的系統信息，筆者通過CAD繪制出后綴名為.dwg格式的故居平面圖，再導入3D Max 進行模型構建。本文以入口部分為例，在實地考察過程中，要考慮到建筑中復雜的雕刻花紋，在三維模型中如何體現？主要利用次世代游戲模型的制作方法，去制作逼真而又復雜的模型：首先，用數字雕刻軟件Zbrush制作高精度模型，高度還原出實景中建筑特色的一些細節。再通過凹凸貼圖烘焙技術，從高精度模型上烘焙出法線貼圖。最后，在低精度模型的凹凸屬性上貼上烘焙出的法線。這樣可以減少模型面數，優化場景緩存，增強場景運算能力。這也是本系統的模型制作特色，這種方法可以通過精美的雕刻制作水平和逼真的紋理效果，利用生動的角色形象吸引一批又一批的游戲玩家和觀眾。而故居系統里入口處的石獅、抱鼓石、立柱木雕、銅門獸頭拉環，均采用這種制作方法，如圖2所示。

李鴻章故居的三維模型完成后，要對整體模型進行檢查和優化。刪除廢棄的面和數據緩存，優化場景模型，提高硬件運算能力。這對后期導入Unity3D中的效率，包括交互設計和展示功能都卓有成效，能夠為下一步工作夯實基礎。

4 系統平臺的應用

4.1 引擎平臺中三維場景的設置

三維模型導入到引擎平臺后，由于前期工作只繪制了三維模型和材質，加上大量的數據信息遷移，各項設置都需要重新調整和加入。例如，單位設置、燈光建立、材質映射、天空和地形創建、植物布置等，這些設置對于提高三維場景的真實感和精細度有著至關重要的作用。此外，繪制三維場景環境是整個系統中數字可視化部分最重要的環節。其內容包括地形繪制和天空盒兩部分。Unity3D中的地形可以繪制出層巒疊嶂的山脈、迂回盤曲的峽谷、廣闊無垠的草原和碧波浩渺的湖泊，這部分強大的功能可以讓用戶在虛擬環境中流連忘返[5]；天空盒可以模擬出真實的天空效果，根據場景的風格和需要來呈現效果，也可以對盒子進行不同的設置，從而達到擬真的程度。這兩部分的疊加使整座三維故居充滿人文思想和歷史積淀。

4.2 交互式技術系統實現方案

游客在景區游覽時的體驗是一個漫長的過程，包括但不限于景區入口、項目游覽的排隊，整個景區游覽的時間及體力消耗等。李鴻章故居系統的數據信息十分龐大，對于PC平臺設備的硬件水平和制作時間都有極高的要求。因此將整個故居系統設計為入口、前廳、福壽堂、走馬樓的一樓展廳和二樓走廊、淮軍一樓的淮系展館、游客服務中心（出口）等6個部分作為系統可游覽的區域。為了讓用戶獲得更好的游覽體驗，在游覽路徑上我們將模式分為手動游覽和自動游覽。

手動游覽模式中，用戶可以自主進行操作，根據喜好進行游覽。如果用戶在游覽中迷路了，只需點擊界面上的場景切換，即可輕松回到景區入口。如果想快速游覽，可通過場景切換，快速任意切換到故居系統的6個景區部分，再進行自主游覽，完成景區的體驗。自動游覽模式下用戶完全不需要進行任何操作，系統會根據設定好的路徑方案，自動帶領用戶對李鴻章故居進行游覽，與導游帶領游客游覽一致，用戶只需觀看，即可輕松完成故居系統的體驗。因此系統中場景的切換是本系統交互方案的核心設計環節，界面登錄和快速游覽也均是基于此進行交互的。

如圖3所示，筆者對登錄界面的兩種模式進行了程序設計。首先，在Assets資源器中，分別新建兩個場景文件作為自動游覽模式和手動游覽模式。登錄界面的場景文件命名為“login”，在該文件中將設計好的登錄背景.jpg格式的文件拖入Assets資源器中，將Texture Type設置為Sprite（2D and UI），對背景圖進行識別導入后，再將Color 選項中的不透明度設置為100%。在第二個場景中，導入Button按鈕，將兩個按鈕命名為“自動游覽模式”和“手動游覽模式”，然后通過新建C#腳本文件將其添加到相應模式的按鈕文件中進行一一映射。隨后，在“Game”模式下，進入Build Setting中分別添加對應三個場景的文件后，系統登錄界面即設置完成。

此外，快速游覽的交互設計原理是將場景切換成故居系統中的6個部分進行游覽。這種交互設計也是基于登錄界面的設置，進行更深層次的開發。通過之前的方法，分別創建“入口”“前廳”“福壽堂”“走馬樓”“淮系展館”“游客服務中心（出口）”等6個場景文件。除了添加6個場景的切換腳本外，還要添加場景切換的主菜單，將設計好的主菜單UI界面添加到系統中，再將主菜單的腳本文件拖入到主攝像機的Inspector 屬性上，通過Edit Script對腳本進行編譯，將主菜單的按鈕掛載到主攝像機上，并給按鈕添加函數OnLogin?ButtonClick 0。整個場景切換的交互設置隨即完成。

4.3 界面的視覺設計

在虛擬現實系統的視覺設計中，主要分為環境設計和界面設計兩個部分。當用戶戴上VR設備后，這個未知的環境需要設計開發成用戶所要看到的三維空間。用戶在觀看和控制時，界面設計的美感必須與環境相匹配，這樣才不會讓用戶從虛擬的環境思維中抽離。因此，界面設計是十分關鍵的一步。

李鴻章故居系統的界面設計主要是用戶登錄的背景界面、場景切換和音樂開關的UI設計等。在整個設計中，參考了故居的年代和歷史背景等相關信息，為了讓更多人領略到故居的文化氣息，弘揚傳統文化，筆者將界面設計的風格定義為水墨風格。這種獨有的藝術形式具有強烈的民族特色和獨特的藝術魅力。同時，這種風格在百花爭艷的虛擬現實系統中也別具一格，與整個系統主題相得益彰[6]。

系統中的UI界面通過Photoshop進行創作設計，并存儲為.png 格式導入到系統中進行運用，如圖4 所示。

5 系統的測試與發布

李鴻章故居虛擬現實系統已經開發完成，但能否最終發布，還需要進行系統完整的測試。由于系統數據資源十分龐大，多種軟件之間進行數據轉換可能會出現場景模型錯位、貼圖顯示報錯、模型與模型之間的縫隙銜接不到位、膠囊體與場景模型之間的物理碰撞不合理、系統運行速度不流暢、場景切換不正確等一系列問題。因此，進行相關測試是十分必要的。通過不斷測試、修改、二次測試和返修等反復循環的過程，才能最終使系統的開發應用達到完善的程度。

系統的測試可以實時通過Unity 3D的游戲運行窗口進行，如圖5所示。點擊播放按鈕后，窗口顯示的畫面就是游戲發布時的正式畫面。在該窗口下運行系統，對系統中的物體進行修改或移動，退出游戲運行模式后，之前的修改并不會保存，系統會自動返回到未編輯的狀態。在Game下面的Free Aspect按鈕可以調整整個窗口的比例，也可以設置最終系統發布的窗口比例；Maximize On Play按鈕具備視圖窗口全屏顯示的功能；Stats按鈕是游戲運行模式下顯示系統中各項參數的開關；在游戲模式運行下，除了對上述問題進行檢查外，我們還對故居系統的模式選擇、手動漫游、自動漫游、場景切換等進行了反復測試。經過多次測試和修改，已解決了場景內法線顯示不統一、貼圖錯位、部分立柱模型錯位等一系列問題，并對場景內的貼圖進行了優化和適當的壓縮，系統已達到較為完善的水平。

Unity3D的發布平臺可以輸出到計算機平臺（Win?dows平臺和MAC平臺）、蘋果iOS平臺、安卓手機平臺、索尼PlayStation平臺、微軟Xbox平臺、H5平臺等。本系統的發布：進入Unity3D的Build Setting選項中，選擇PC 平臺，選擇32 位和64 位兼容的Windows 系統，可通過Player Setting進行參數設置，包括效果，系統程序添加應用圖標等；點擊Build后，輸出一個.exe 的應用程序，會隨應用程序打包一個需要使用到系統資源信息的工程文件夾，該程序打開后，可以對應用程序系統顯示分辨率大小、質量和操作映射等，最終完成故居系統的發布到運行。

6 結束語

李鴻章故居的虛擬現實系統已經開發完成，通過測試和修改，可以實現對李鴻章故居中各個景點的漫游。本文主要通過詳細介紹系統的總體設計、需求分析、三維構建、系統平臺應用、系統測試與發布等，將虛擬現實技術應用到李鴻章故居中，力求在景區虛擬現實漫游系統的開發與應用道路上邁出堅實的一步。